DE60201580T2

DE60201580T2 - Vorrichtung zur verbindung von kapillarröhren mit einem mikrofluidischen system

Info

Publication number: DE60201580T2
Application number: DE60201580T
Authority: DE
Inventors: Nicolas Sarrut; Yves Fouillet; Raymond Charles; Jean-Antoine Gruss; Maurice Rostaing
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2001-03-01
Filing date: 2002-02-27
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2022-02-28
Also published as: DE60201580D1; WO2002070942B1; WO2002070942A8; ATE279683T1; FR2821657B1; FR2821657A1; JP2004530118A; EP1364150A1; JP4068462B2; US20040096359A1; EP1364150B1; WO2002070942A1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, welche die dichte, reversible und vorzugsweise kollektive Verbindung von Kapillarröhren mit einem Mikrofluidik-Bauteil, insbesondere einem Biochip, sicherstellt. Die Erfindung betrifft insbesondere die medizinische, pharmazeutische, biologische, ... Forschung.
STAND DER TECHNIK
sBei zahlreichen Mikrofluidik-Anwendungen ist es notwendig, Mikrofluidik-Bauteile (Mikrokanäle, Mikrospeicher, Mikroreaktoren, Mikroventile, Heizsysteme usw.) miteinander oder mit externen Systemen (Speicher, Einspeisungssysteme usw.) zu verbinden. Eine zur Herstellung dieser Verbindungen häufig gewählte Lösung besteht darin, Mikroröhren oder Kapillarröhren zu verwenden. Diese müssen ins Innere eines Mikrobauteil integriert sein, um in einer hohlen Struktur des Typs Kanal, Speicher, Reaktor usw zu münden. Die Kapillarröhren sind im Allgemeinen zusammengefasst zu Bündeln oder Lagen. An der Verbindungsstelle mit dem Mikrobauteil wird die Abdichtung zwischen den Kapillarröhren und der Außenseite sichergestellt durch Kleben oder kraftaufwändiges Einfügen bzw. Einsetzen. Zu diesem Thema kann man folgenden Artikel konsultieren: "Novel Interconnection and Channel Technologies for Microfluidics" von N. J. MOURLAS et al., Proc. of the Micro Total Analysis Systems '98, 13.–16. Oktober 1998, Seiten 27 bis 30.
Dabei entstehen folgende Probleme. Die Verwendung von Klebstoff macht die Verbindung irreversibel. Sobald die Kapillarröhren festgeklebt sind, sind sie fest mit dem Mikrobauteil verbunden und können zum Beispiel nicht gereinigt oder ausgetauscht werden. In dem Fall, wo sie mit Kraftaufwand in das Bauteil eingefügt werden, ist keine kollektive Verbindung einer Vielzahl von Kapillarröhren möglich, sondern es wäre ein Zwischenstück erforderlich, was sich aufgrund von dessen Platzbedarf von selbst verbietet.
Eine dem Gegenstand des Anspruchs 1 ähnliche Vorrichtung zur dichten Verbindung wird in dem Dokument WO-A-9914368 beschrieben.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung ermöglicht, dieses Problem zu lösen. Die Lösung besteht darin, ein steifes Teil in der Nähe des Endes der zu verbindenden Kapillarröhren mit einem weichen Verbindungs- bzw. Abdichtelement zu versehen. Das steife Teil gewährleistet die relative Positionierung der Kapillarröhren. Indem es gegen das Mikrobauteil gepresst wird, wird das weiche Abdichtelement zusammengedrückt, was die Dichtheit (zwischen den Kapillarröhren und gegenüber der Außenseite) sicherstellt, und die Enden der Kapillarröhren dringen in das Mikrobauteil ein.
Die Erfindung hat also den Vorteil, die Verbindung reversibel zu machen.
Die erfindungsgemäße Verbindungsvorrichtung ist anpassbar an das Verbinden mit Chips aus Kunststoff, Silicium, Glas oder anderen Materialien. Das Verbinden ist bei flachen Mikrobauteilen in ihrer Ebene oder senkrecht zu ihrer Ebene möglich und bei voluminösen Mikrobauteilen in jeder ihrer Flächen.
Die Erfindung hat also eine Vorrichtung zur dichten und reversiblen Verbindung von wenigstens einer Kapillarröhre mit einem Mikrofluidik-Bauteil zum Gegenstand und ist dadurch gekennzeichnet, dass sie ein steifes Teil umfasst, mit Einrichtungen zur Positionierung der Kapillarröhre für seine Verbindung mit dem Mikrofluidik-Bauteil, Befestigungs- und Positionierungseinrichtungen des steifen Teils in Bezug auf das Mikrofluidik-Bauteil, einem weichen Abdichtelement, eingefügt zwischen dem steifen Teil und dem Mikrofluidik-Bauteil und durchquert von dem Kapillarröhrchen, wobei das weiche Abdichtelement und das steife Teil die Dichtheit der Verbindung gewährleisten, wenn das steife Teil durch die Befestigungseinrichtungen auf das Mikrofluidik-Bauteil gepresst wird, wobei das weiche Abdichtelement ein auf dem steifen Teil und um das Kapillarröhrchen herum gegossenes Element ist.
Diese Realisierungstechnik ermöglicht, bei den betrachteten Dimensionen eine vollständige Dichtheit zu erzielen, indem zwischen dem weichen Abdichtelement und den Kapillarröhren eine physikalische Haftung und folglich eine tatsächliche Sperre für die auf diesem Niveau des Bauteils vorhandene Flüssigkeit hergestellt wird.
Vorteilhafterweise werden die Positionierungseinrichtungen der Kapillarröhre durch ein das steife Teil durchquerendes Loch gebildet. Die Kapillarröhre kann an dem steifen Teil durch Klebstoff befestigt werden. Im Falle eines das steife Teil durchquerenden Lochs wird der Klebstoff vorteilhafterweise zwischen diesem Durchgangsloch des steifen Teils und der Kapillarröhre abgebracht, um ihren Halt in dem steifen Teil sicherzustellen. Das steife Teil kann auch eine Fläche mit einer Rinne aufweisen, welche die Zuführung des Klebstoffs ermöglicht.
Die Befestigungs- und Positionierungseinrichtungen des steifen Teils in Bezug auf das Mikrofluidik-Bauteil können Schraubeinrichtungen sein. Diese Schraubeinrichtungen können Schrauben umfassen, die in dem Mikrofluidik-Bauteil stecken, wobei die Verschraubung entweder mittels Schraubenmuttern oder mittels Gewinden in dem Mikrofluidik-Bauteil erfolgt. Wenn das Bauteil durch einen Träger gehalten wird, können die Schraubeinrichtungen Schrauben umfassen, die in diesem Träger stecken, wobei die Verschraubung entweder mittels Schraubenmuttern oder mittels Gewinden in dem Träger erfolgt.
Das steife Teil kann aus Kunststoff oder aus Metall sein.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung und weitere Vorteile und Besonderheiten gehen aus der nachfolgenden, beispielhaften und nicht einschränkenden Beschreibung hervor, die sich auf die beigefügten Figuren bezieht:
die 1 ist eine explodierte Ansicht eines partiell dargestellten Mikrofluidik-Bauteils und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur dichten Verbindung von Kapillarröhren,
die 2 ist eine partielle und perspektivische Ansicht eines Mikrofluidik-Bauteils, enthalten in einem Träger und so konzipiert, dass es durch die erfindungsgemäße Verbindungsvorrichtung senkrecht zu seiner Ebene angeschlossen werden kann,
die 3 ist eine partielle und perspektivische Ansicht eines Mikrofluidik-Bauteils, enthalten in einem Träger und so konzipiert, dass es durch die erfindungsgemäße Verbindungsvorrichtung an seiner Stirnfläche angeschlossen werden kann.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON REALISIERUNGSARTEN DER ERFINDUNG
In der 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 die erfindungsgemäße dichte Verbindungsvorrichtung, und das Bezugszeichen 2 bezeichnet ein senkrecht zu seiner Ebene anzuschließendes Mikrofluidik-Bauteil.
Die dichte Verbindungsvorrichtung 1 umfasst ein steifes Teil 11, das aus Kunststoff (zum Beispiel Polycarbonat) oder aus Metall (zum Beispiel Messing) sein kann. Man kann es durch maschinelle Bearbeitung oder durch Gießen herstellen. Es umfasst Durchgangslöcher 12 zur Durchführung von Kapillarröhren 13, um sie auszurichten und ihnen Halt zu geben. Die Durchgangslöcher 12 sind auf der Einführungsseite der Kapillarröhren vorteilhafterweise erweitert, um die Kapillarröhren leichter einführen zu können, insbesondere bei der industriellen und automatisierten Herstellung dieser Verbindungsvorrichtungen. Es weist auf Durchgangslöcher 14 für die Schäfte von Schrauben 15 auf.
Die Kapillarröhren 13 sind zum Beispiel Mikroröhren aus Siliciumdioxid mit Polyimidmänteln. Ihr Innendurchmesser ist enthalten zwischen 2 und 500 μm und ihr Außendurchmesser ist enthalten zwischen 50 und 700 μm.
Die Teilung der Löcher 12, welche die Teilung der Kapillarröhren bestimmt, ist auch die Teilung der Kanäle 21 des Bauteils 2. Sie kann in Abhängigkeit von den verwendeten Kapillarröhren zwischen ungefähr 10 μm und ungefähr 100 μm enthalten sein.
Die Kapillarröhren 13 werden in die Löcher 12 gesteckt, bis zu der dem anzuschließenden Bauteil entsprechenden Länge. Sie werden mit dem steifen Teil 11 durch Klebstoff verbunden. Die Art des Klebstoffs hängt von dem Material des steifen Teils ab. Zahlreiche handelsübliche Klebstoffe sind geeignet.
Nach einer Realisierungsvariante besitzt das Teil 11 in einer seiner zu den Kapillarenröhren parallelen Hauptflächen eine Rinne 18. Diese Rinne 18 umfasst einen senkrechten Zugang zu einem Teil der Kapillarröhren. Der Klebstoff wird in diese Rinne gegossen, so dass die Kapillarröhren in Höhe dieser Rinne an dem steifen Teil festgeklebt werden.
Diejenige Fläche des steifen Teils 11, die bei der Verbindung dem Bauteil 2 zugewandt ist, ist mit einem weichen Abdichtelement 16 versehen. Das weiche Abdichtelement 16 erhält man, indem man eine parallelflache Form auf der entsprechenden Fläche des steifen Bauteils 11 anbringt – wobei zu diesem Zeitpunkt die Kapillarröhren 13 schon in dem steifen Teil befestigt sind – und dann das Abdichtelement mittels einer entsprechenden Flüssigkeit gießt. Das Material, aus dem das Abdichtelement gegossen wird, kann Silikon des Typs RTV-2 von Rhône-Poulenc sein. Dieses weiche Abdichtelement umschließt dann die Kapillarröhren 13 und endet vor den Durchgangslöchern 14 der Schrauben 15.
In dem Moment, wo das Material, aus dem das Abdichtelement gegossen wird, flüssig ist, ist die Kontaktherstellung mit den Kapillarröhren aufgrund der Flüssigkeitseigenschaften perfekt. Beim Aushärten des Materials (im Fall von Silikon durch Polymerisation) bleiben diese günstigen Eigenschaften erhalten und der Kontakt zwischen dem weichen Element und den Kapillarröhren bleibt perfekt. Außerdem wieder aufgrund der Flüssigkeitseigenschaften – steigt es im flüssigen Zustand längs der Kapillarröhren etwas an, um am Fuße der Austrittszone der Kapillarröhre einen Wulst zu bilden. Sobald er verdichtet ist, übt dieser Wulst einen großen Druck auf die Wände der Zugangslöcher zu dem Mikrofluidik-Bauteil und auf die Kapillarröhren aus. Derart erhält man eine vollständig und perfekte Dichtheit, nämlich Dichtheit gegenüber der Außenseite (kein Leck längs der Kapillarröhre) und Dichtheit von einer hohlen Struktur zu einer anderen (kein Leck längs des weichen Abdichtelements).
Die Schrauben 15 besitzen zum Beispiel einen gerändelten Kopf. Ihr Schaft ist ausreichend lang, um das steife Teil 11, das Abdichtelement 16 und das Bauteil 2 zu durchqueren. Bei der Montage ragen die Schäfte der Schrauben 17 aus den Löchern 22 heraus, so dass sie mit Schraubenmuttern 17 beschraubt werden können. Beim Festziehen der Schraubenmuttern werden die Schraubenköpfe gegen das steife Teil gepresst, so dass dann das weiche Abdichtelement zusammengedrückt wird und damit die Dichtheit sichergestellt ist. Die Dichtheit der so realisierten Vorrichtungen war bei mit 3 bar durchgeführten Druckversuchen perfekt.
Beim Verbinden können die Enden der Kapillarröhren 13 in Öffnungen 23 eingefügt werden, die in Innere des Mikrobauteils führen, zum Beispiel zu den gekrümmten Teilen der Kanäle 21 oder zu anderen hohlen Strukturen.
Die 2 ist eine partielle und perspektivische Ansicht eines Mikrofluidik-Bauteils 3, befestigt in einem Träger 4. Der Träger 4 kann aus Kunststoff oder aus Metall sein. Das Bauteil 3 ist darin festgeklebt oder eingerastet. Wie vorhergehend, erfolgt die Verbindung senkrecht zu der Ebene des Bauteils 3, wobei die Enden der Kapillarröhren in die Öffnungen 33 eingefügt sind, die zum Beispiel zu den gekrümmten Teilen der Kanäle 31 führen.
Bei dieser Realisierungsart erfolgt die Befestigung der Verbindungsvorrichtung auf dem Träger 4, der Löcher 32 zur Aufnahme der Befestigungsschrauben besitzt. Die Löcher 32 können Durchgangslöcher für die gewindeten Schäfte der Schrauben sein, wobei in diesem Fall das Spannen der Verbindungsvorrichtung durch Schrauben erfolgt, die sich auf der Rückseite des Trägers abstützen. Die Löcher 32 können nach einer Realisierungsvariante Innengewinde aufweisen, so dass man auf die Schraubenmuttern auf der Rückseite des Trägers verzichten kann. Diese Realisierungsart bringt einen Platzgewinn beim Bauteil, da die Befestigungslöcher in dem Träger realisiert werden.
Die 3 ist eine partielle und perspektivische Ansicht eines anderen Mikrofluidik-Bauteils 5, befestigt in einem Träger 6. Wie vorhergehend kann der Träger aus Kunststoff oder aus Metall sein, und das Bauteil kann mittels Klebung oder Einrastung befestigt werden. Im Unterschied zu der vorhergehenden Realisierungsart befinden sich die Öffnungen 53 der Kanäle 51 auf einer Stirnfläche des Bauteils. In diesem Fall erfolgt die Verbindung entsprechend der Ebene des Bauteils.
Der Träger 6 besitzt Löcher 52 zur Aufnahme der Befestigungsschrauben. Die Löcher 52 können Durchgangslöcher der gewindeten Schäfte der Schrauben sein, wobei in diesem Fall das Spannen der Verbindungsvorrichtung durch Schrauben erfolgt, die sich auf der entgegengesetzten Seite des Trägers 6 abstützen. Die Löcher 52 können nach einer Realisierungsvariante Innengewinde aufweisen, so dass man auf die Schraubenmuttern verzichten kann. Diese Realisierungsart bringt einen Platzgewinn beim Bauteil, da die Befestigungslöcher in dem Träger realisiert werden.
Auch diese Realisierungsart bringt einen Platzgewinn beim Bauteil, da die Befestigungslöcher in dem Träger realisiert werden.
Die erfindungsgemäße Verbindungsvorrichtung kann für jedes Mikrofluidik-Bauteil verwendet werden. Die hauptsächlichen Anwendungen für diese Art von Bauteilen sind chemischer, biologischer, pharmazeutischer, medizinischer Natur (Mikrovolumen-Dosierung, chemische Reaktionen bei Mikrovolumen, Gen-Typisierung (genotypage), Diagnostik, ADN-Chips).

Claims

Vorrichtung (1) zur dichten und reversiblen Verbindung von wenigstens einem Kapillarröhrchen (13) mit einem Mikrofluidik-Bauteil (2), dadurch gekennzeichnet, dass sie ein steifes Teil (11) umfasst, mit Einrichtungen zur Positionierung des Kapillarröhrchens (13) für seine Verbindung mit dem Mikrofluidik-Bauteil (2), Befestigungs- und Positionierungseinrichtungen des steifen Teils in Bezug auf das Mikrofluidik-Bauteil, ein weiches Verbindungselement (16), eingefügt zwischen dem steifen Teil (11) und dem Mikrofluidik-Bauteil (2) und durchquert von dem Kapillarröhrchen (13), wobei das weiche Verbindungselement (16) und das steife Teil (11) die Dichtheit der Verbindung gewährleisten, wenn das steife Teil (11) durch die Befestigungseinrichtungen auf das Mikrofluidik-Bauteil (2) gepresst wird, wobei das weiche Verbindungselement ein auf dem steifen Teil (11) und um das Kapillarröhrchen herum gegossenes Element ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierungseinrichtungen des Kapillarröhrchens (13) durch ein das steife Teil (12) durchquerendes Loch gebildet werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kapillarröhrchen (13) durch Klebstoff in dem steifen Teil (11) festgehalten wird.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff sich zwischen dem das steife Teil (11) durchquerenden Loch (12) und dem Kapillarröhrchen (13) befindet, um dessen Halt in dem steifen Teil zu gewährleisten.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass das steife Teil (11) auf einer Seite eine Rinne (18) aufweist, durch die der genannte Klebstoff eingeführt werden kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungs- und Positionierungseinrichtungen des steifen Teils in Bezug auf das Mikrofluidik-Bauteil Schraubverbindungseinrichtungen (15, 17) sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubverbindungseinrichtungen Schrauben (15) umfassen, die entweder das Mikrofluidik-Bauteil (2) durchqueren und mit Schraubmuttern (17) verschraubt sind, oder in Gewinde geschraubt sind, die in dem Mikrofluidik-Bauteil enthalten sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (3, 5) durch einen Träger (4, 6) gehalten wird, wobei die Schraubverbindungseinrichtungen Schrauben umfassen, die entweder den Träger durchqueren und mit Muttern verschraubt sind oder in im Träger enthaltene Gewinde geschraubt sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das steife Teil (11) aus Kunststoff oder aus Metall ist.